通用汽车电气组件环境试验标准的说明与分析

2023-09-06张超

环境技术 2023年7期

张超

（阿尔派电子（中国）大连研发中心，大连 116600）

引言

随着汽车行业的迅猛发展，为了能保持自身的竞争力，世界各大公司在提升自身技术水平的同时，越来越关注消费者的需求。小到内饰颜色款式的推陈出新，大到新能源人工智能的迭代，无一不是为了赢得消费者的青睐，从而能在汽车销售领域占据更大的份额。而安全性和可靠性作为消费者购车的首要因素，自然也是车厂关注的重点。

环境试验也即环境模拟试验，通过模拟试验对象工作状态的环境，从而确认试验对象在预估使用寿命内表现与设计预期是否相符的一种试验。主要通过增加温度、湿度、应力、化学腐蚀等因素，增加试验严酷度，加速模拟试验对象整个寿命周期内的表现变化[1]。

欧美车企起步较早，在环境及可靠性试验方面具有成熟的标准体系和丰富的经验。通过研究分析其标准，了解其起草思路，从而完善我国汽车工业体系，制定更为严谨行业标准，这对我国汽车工业发展具有深刻意义[2]。

美国通用公司作为老牌汽车制造企业，在环境可靠性方面进行了大量研究，其试验标准也被各大车企广泛借鉴。我国诸如广汽集团（GAC），比亚迪公司（BYD）等在环境可靠性方面以此为基础，结合我国实际情况，起草了自己的环境可靠性标准，对其发展也产生了积极的效应。本文对通用汽车环境可靠性试验标准进行了说明，并结合实例进行进一步分析。

1 通用公司环境试验标准

1.1 试验标准介绍

通用公司制定的GMW 3172 系列标准主要针对乘用车、商用车及卡车的电子电气元件,按照其安装位置和条件，定义了环境和耐久性的试验要求及方法。

GMW 3172-2022 标准（其后称标准）中首先对环境温度进行了定义，如最低温度（Tmin），最高温度（Tmax），最高油漆修补及存储温度（TRPS）等，见表1。其次，对试验参数允许偏差进行了规定。如温度偏差±3 ℃，环境湿度应保证在（30～70）%范围内。最后，对元件工作状态进行了区分，并给出了功能状态标准，以此作为试验结果判断依据，见表2。

表1 温度负荷特征码举例

表2 试验参数允许偏差举例

标准中大量使用了特征码，单个特征码定义一种状态，如温度特征码A：-40 ℃，高温周期特征码A:2 000 h。针对不同曝露条件，通过特征码的组合，进行试验条件的定义。

对于汽车电子产品来说，从出厂到安装，再随整车到达终端用户使用的过程中，由于其工作环境不同，所以产品工作状态也不同，自然其要求也有差异，见表3。针对各个工作环境定义各个工作状态，对试验的精确化有积极意义。

表3 电气组件的工作状态定义示例

GMW 3172-2022 标准通过各项参数的定义，以及各个场景的需求的明确，使试验人员可以根据自身产品特性选择相应试验内容，这不仅简化了试验流程，降低了工作复杂程度，同时增加了其准确度。

1.2 评价标准介绍

不同试验由于目的不同，方法不同，试验后评价标准也不相同。GMW3172 系列标准中，对于试验结果评价标准分为以下5 种等级。

等级A:要求样品试验中和试验后的功能与性能参数全部满足设计要求。也即试验中和试验后样品不能出现任何异常。

等级B: 要求样品试验中和试验后的功能与性能参数全部满足设计要求，但是允许 1 个或多个参数超出标准范围后，可以在试验后自动复归到标准范围内。

等级C: 允许样品 1 个或多个功能在试验中为满足设计要求，但是在试验后自动恢复至正常状态。

等级D: 允许样品 1 个或多个功能在试验中为满足设计要求，但是在试验后可以通过重新启动等操作恢复至正常状态。

等级E: 允许样品 1 个或多个功能在试验中为满足设计要求，但是在试验后可以通过修理或更换零件恢复至正常状态。

其中功能与性能参数还包括外观,尺寸,亮度,有无异响等方面的内容。这些内容也在评价标准判定范围内。

大部分环境试验的评价等级都是A，这是由样品的工作状态决定的。绝大部分环境试验都要求样品持续处于正常工作状态，根据实际情况来说，这时对用户使用方面影响最大，因此设计要求也就更为严格。

1.3 典型环境试验

汽车电气组件的工作环境具有很大的特殊性，由于其载体-汽车所处环境具有不确定性，其工作环境相对来说更为严酷。不仅要承受较高的温差和高湿环境，还要承受车体共振和路面振动冲击等恶劣因素的影响。高低温、湿度、沙尘盐雾腐蚀等，是不同工作环境下电气组件经受的典型环境应力[3]。

1.3.1 高温退化试验（High Temperature Degradation）

高温退化试验主要用于考察样品对于高温产生的降解的抗扰度。GMW 3172-2022 标准中，高温退化试验方法参照了国际标准ISO 16750-4 中高温试验的内容。首先根据组件的安装位置进行特征码定义，然后以特征码区分此试验的严酷等级。其中，驾乘仓内弹性组件试验时长要求为500 h，其它部位安装组件的要求为1 000 h或2 000 h 不等。其次，定义了试验箱内温度上升与下降时间，样品高温曝露时间。

高温曝露的过程中，为了模拟实车环境还设定了电气组件启动与休眠的循环，各图1 所示。电气组件在不同工作电压下，其工作状态也不相同。标准中根据实际情况，对各个电压下样品的曝露时间按照正常电压80 %，低电压10 %，高电压10 %进行了区分。并且，要求对样品的性能进行一定间隔内的确认，从而在问题发生时，可以获得准确的数据用以修正。

图1 高温退化试验循环曲线示例

高温应力对电气组件结构方面的影响主要体现在材料变形和失效，如树脂件膨胀缩小，塑料件软化等。这些失效对于整车组装的时候会由于定位偏移产生很大影响。因此，试验初期，对样品施加最高油漆修补及存储温度（TRPS）来考察样品的结构变形影响是十分必要的。

1.3.2 冷热冲击试验（Thermal Shock Air-To-Air）

冷热冲击试验主要考察样品是否不受热疲劳影响，并且能抵抗由温度快速变化引起的降解。GMW 3172-2022 标准中，冷热冲击试验方法参照了国际标准ISO 16750-4 中温度循环的内容，规定了不同组件进行冷热冲击时间时的高低温度与循环数。由于其工作环境不同，工作的极限温度从（-40～140）℃不等，循环数也由234～664 次不等。

标准规定由常温到高温，高温保持15 min 后，快速转换至低温，转换时间一般小于3 min，低温保持15 min后，转换至常温为一个循环。同时要求温度转换后要有足够长的时间使试验环境内温度稳定至试验要求。此后，再进行试验要求时长的曝露。

一般来说，我国大部分试验箱都是通过空气循环进行温度调节。如果温度转换速度过快，由于空气循环的局限性，很难做到样品内部温度随外部调节而快速变化。因此，标准中提出了温度稳定时间的概念，以此增加试验的准确性，更加贴合实际情况，各图2所示。

图2 冷热冲击试验循环曲线示例

1.3.3 电力温度循环试验（Power Temperature Cycle）

本试验与冷热冲击试验相结合，用于考察样品是否能够抵抗由于温度变化或材料问题产生的热疲劳与退化。试验中，要求对工作状态样品持续测量，确认其电气性能是否正常。

电力温度循环试验方法参照了国际标准IEC 60068-2-14 中温度变化的内容，对试验最低温度到最高温度的转换时间进行了规定。同时结合实际情况规定了样品在升降温过程中的工作状态，即升温与高温曝露时，样品处于正常通电工作状态；降温与低温曝露时，制品处于不通电休眠状态。特别的，低温曝露的最后一分钟，标准规定样品应从不通电休眠状态启动，转换至正常工作状态。

针对电气组件的工作特性，同高温退化试验一样，标准规定了试验过程中按照正常电压80 %，低电压10 %，高电压10 %进行循环，各图3 所示。

图3 电力温度循环试验曲线示例

1.3.4 湿热循环试验（Humid Heat Cyclic）

该试验用于验证电气组件对于外界温湿度变化引起的内部冷凝的抵抗能力，以及湿热环境下功能和材料退化的抵抗力。在高湿环境中，温度的快速变化会引起样品内部细小缝隙内水珠的凝结，在零下的温度时还会产生冻结。附着在样品内部电子元件的导电部分时，会因为短路造成样品功能异常。这是湿热循环试验的主要应力因素。

标准中的试验方法主要参照了IEC 60068-2-38 标准中温度湿度循环的内容，考虑到高湿环境下凝结水的流动性，样品的摆放角度要与实际情况相符，并且注明不要出现试验箱内水滴直接滴淋到样品的情况。试验的单个温度循环变化曲线如图4 所示，除高温降至常温过程中湿度应保持在80 %且温度低于25 ℃不进行湿度控制外，湿度应保持在（93±3）%。试验周期为5 个循环。

图4 湿热循环试验温度曲线示例

2 通用汽车电气组件环境试验标准应用实例

针对通用汽车电气类组件环境体系的应用一般按以下步骤进行：

1）通过安装位置工作环境等确定样品的专门标准，确定试验的流程。

2）查找相对应的试验标准，如各个特征码对应的试验参数。

3）根据试验标准中的评价标准对试验结果进行评价。

以下以通用汽车某型号车载显示器为例，对试验标准应用进行说明。

2.1 确定试验标准

根据GMW 3172-2018 标准，车载显示器属于驾乘仓内弹性电气组件。标准中给出了其温度特征码为C，环境特征码为D，电气特征码为D。

温度特征码C 规定其试验的高温为85 ℃，低温为-40 ℃，最大贮存温度为95 ℃。环境特征码规定其环境试验中应包含高温退化试验，且试验周期为500 h，还应包含湿热循环试验和持续湿热试验。电气特征码规定了样品试验的最低电压为9 V，最高电压为18 V，并且正常工作电压为14 V，电池供电电压为12 V。